Введение

На основании многолетнего опыта работы с компанией NI [1-4] авторами реализован основной принцип комплексного подхода к обучению студентов физических специальностей экспериментальной физике, включающий обучение основам LabVIEW, физике на виртуальных работах на 1 курсе, на симуляторах на 2 курсе, разработку виртуальных работ на 3 курсе и научно-исследовательские работы на 4 курсе. Посвящен использованию образовательных технологий NI в НИР студентов в рамках описанного выше комплексного подхода. Подробно анализируется пример физического исследования, где демонстрационной компонентой является совокупность положений элементов волноводной техники и объектов. Темой физического практикума выбран новый раздел физики, изучающей явления самоорганизованной критичности. Реализация самоорганизованного критического состояния в системе означает, что система под воздействием малых внешних возбуждений приходит в критическое состояние, которое в дальнейшем самоподдерживается. Ее структура основывается на наборе метастабильных состояний, переходящих одна в другую посредством лавин. Размеры лавин подчиняются степенным закономерностям. В последнее время эксперименты и расчеты показывают, что многие составные системы в геологии, экономике, медицине, метеорологии и т.д. обнаруживают признаки самоорганизованной критичности. Исходя из вышесказанного любой эксперимент касающийся систем с самоорганизацией является выдающимся, хотя бы в силу общей применимости. Место наших исследований в иеархии эксперимента показано в таблице. Постановка задачи

Основная идея исследований - использование возможностей NI технологий и наших кафедеральных наработок в этой области для проведения научно-исследовательской работы в новой области физики.

Цель работы - проведение научно-исследовательской работы в рамках физического практикума, изучающего самоорганизованные системы, состоящие из большого количества однотипных взаимодействующих элементов.

В рамках проведения НИР студентами ставится задача исследования таких процессов на примере классического объекта - «кучи песка» с выполнением следующей последовательности действий:

1. создание виртуальной работы по формированию самоорганизованной системы на основе новейших теоретических моделей (см. Табл.);

2. проведение эксперимента по регистрации микроволнового отклика от реальной кучи песка, используя современную микроволновую методику исследования, основанную на облучении кучи поляризованной электромагнитной волной и регистрацией отражения;

3. анализ результатов с целью корректировки виртуальной работы и последующего введения в учебный физпрактикум.

Пер Бак (P. Bak, С. Tang, К. Wiesenfeld. Phys. Rev. Let. 1987.59. p. 381.) разработал концепцию поведения хаотических и сложных систем -теорию самоорганизованной критичности.

Парадигмой для самоорганизованной критичности является песочная куча. Помимо компьютерных исследований динамики песочных куч существует и экспериментальное исследование, проведенное сотрудниками IBM во главе с Гленом Хелдом (G. Held, D. Solina, D. Keane, W. Haag, P. Horn, G. Grinstein. Phys. Rev. Let. 1990. 65. p. 1120).

Теоретические разработки под руководством С. Л. Гинзбурга (S. Ginzburg, N. Savitskaya Journal of Low Temperature Physics. 2003. 130. p. 333) из ПИЯФ связали магнитную динамику сверхпроводников и динамику самоорганизованных систем на примере одномерного многоконтактного СКВИДа

Эксперименты по динамике критического состояния жестких сверхпроводников второго рода и джозефсоновских решеток, выявили лавинообразную динамику в таких структурах и связь с явлением самоорганизованной критичности (Е. Altshuler, Т. Johansen. Rev. Mod. Phys. 2004.76. p. 471).

Микроволновые исследования самоорганизованных систем при помощи NI технологий

Описание решения

Виртуальный эксперимент базируется на учебном курсе по основам LabVIEW, который проводится в 3 семестре СПбГПУ. Результат такого моделирования представлен на Рис. 3 в виде диаграммы распределения интенсивности лавинообразования.

Для изучения явления самоорганизованной критичности проводится реальный эксперимент.

Этапы проведения реального исследования:

-методика создания системы самоорганизованной критичности - «песочной кучи» при помощи бункера с электромагнитным управлением. Одна порция выброса песка с частотой 1 Гц составляет 0,09 мГ.

-выбор объекта исследования - медного дисперсного порошка, размер отдельного кластера меди и сформированной кучи показан на Рис. 1.

-методика микроволнового исследования по измерению интенсивности отраженной от кучи СВЧ мощности в дальней зоне. Установка для проведения исследований представлена на Рис. 2. Результаты эксперимента представлены на Рис. 3.

Рис. 1. Фотография песочной кучи из дисперсной меди, вес 275 мг. Толщина метки - 100 мкм. Одна порция выброса -0,09 мГ. Справа - фотография кластеров меди.

Рис. 2. Установка для проведения микроволновых исследований.

СВЧ-излучение с частотой 40 ГГЦ формируется щелью 0,5×5 мм², отраженный сигнал через рупорную антенну подается на фазовый детектор и далее на USB-контроллер NI.

Рис. За. Зависимость отраженного сигнала от кучи в процессе ее формирования, N -число выбросов песка, формирующего кучу и соответствующая ей диаграмма развития микролавин (виртуальный эксперимент), плотность линий пропорциональна числу лавин.

Рис. 36. Зависимость отраженного сигнала от количества выбросов N вблизи критического состояния системы (на Рис. За отмечено «katastrofa»).

Используемое оборудование и ПО

Представляемая работа выполнена с использованием программы LabVIEW 7.0 в рамках кафедеральной лицензии СПбГПУ, на компьютерах Celeron 1700 с лицензионным программным обеспечением Windows XP. Связь экспериментальных установок с компьютерами происходила посредством соединения через специальные блоки SCXI-1127, SCXI-1331, подключаемые к шасси SCXI-1000, а также устройства сбора данных USB-6008 с использованием аппаратно-программного комплекса NI.

Преимущество технологий National Instilments

Наш выигрыш при использовании технологий NI заключается в следующем. Во-первых реализуется концепция обучения основам технологий NI, включая LabVIEW на примере реальных физических процессов. Во-вторых, используются аппаратные средства NI для автоматизации экспериментов, и в-третьих, используются возможности технологий для проведения экспериментов с большим массивом данных в реальном времени, включая возможности распознавания. Например, при бросании песка используется до 100000 сбросов. И самое главное - нам удалось связать воедино обучение от простых законов физики до современных концепций, находящихся на переднем крае науки, и все это в рамках образовательной программы "National Instruments".

В настоящее время в соответствии с данным подходом проводится НИР двух студентов кафедры экспериментальной физики СПбГПУ прошедшие курс обучения основам LV на 1 и 2 курсе.

Выражаем признательность Представительству "National Instruments" в Российской Федерации за поддержку.

Работа выполнена при поддержке гранта Швейцарского национального научного фонда SNSF IB7420-111116.

Список литературы

1. А. В. Приходько, О. И. Коньков Кафедеральный опыт внедрения программных и инструментальных продуктов компании National Instruments // Образовательные, научные и инженерные приложения в среде LabVIEW и технологии National Instruments: Сборник трудов, междунар. науч.-практ. конф. / Москва. Издательство Российского университета дружбы народов, 2003. С. 15-17.

2. А. В. Приходько, О. И. Коньков Учебный тренажер в среде LabVIEW (LV-simulator)// Образовательные, научные и инженерные приложения в среде LabVIEW и технологии National Instruments: Сборник трудов, междунар. науч.-практ. конф. / Москва. Издательство Российского университета дружбы народов, 2004. С. 70.

3. О. И. Коньков, А. В. Приходько LabVIEW-лизация кафедры. Год спустя // Образовательные, научные и инженерные приложения в среде LabVIEW и технологии National Instruments: Сборник трудов, междунар. науч.-практ. конф. / Москва. Издательство Российского университета дружбы народов, 2005. С. 86-92. (Доклад Е.17.0 в трудах конференции на сайте http://www.LabVIEW.ru/).

4. О. И. Коньков, А. В. Приходько Применение USB-устройства сбора данных компании National Instruments для расширения возможностей LV- симулятора // Образовательные, научные и инженерные приложения в среде LabVIEW и технологии National Instruments: Сборник трудов, междунар. науч.-практ. конф. / Москва. Издательство Российского университета дружбы народов, 2006. С. 66-69.